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节能减排对实现建筑业转型升级和健康发展具有十分重要的意义。复合砌块是随着国家节能设计标准不断提高而发展起来的一种新型墙体材料,具有防火、热工性能好、满足自保温要求等显著优点。复合砌块由主体材料和填充材料构成,具有明显的非均匀性。然而,目前对墙体的热湿耦合传递研究大多采用一维模型,与复合砌块墙体内部的实际情况不符,给复合砌块墙体的节能分析和热湿特性研究带来一定的困难。因此,亟需研究复合砌块墙体的二维热湿耦合传递特性,为其节能构造优化和防潮设计提供依据,促进复合砌块墙体的推广应用。本文以水蒸气、温度和空气压力为驱动势,利用体积平均理论,研究复合砌块墙体热湿耦合传递理论模型,利用正交试验进行煤矸石和粉煤灰复合砌块材料配合比优化设计,并试验测试两种复合砌块主体材料和填充材料的热湿传递性能,运用物理试验和数值模拟计算探讨复合砌块墙体内部的热湿耦合传递规律,揭示其热湿耦合传递特性,进而研究热湿耦合传递效应对复合砌块墙体热湿特性及能耗的影响,主要研究结论和创新成果如下:(1)建立了以水蒸气分压力、温度和空气压力为驱动势的复合砌块墙体热湿耦合传递理论模型。模型包括水分传递、热量传递和空气传递三个方程,方程系数物理意义明确,便于确定。总水分传递方程运用Kelvins定律,将建筑材料内水蒸气和液态水传递量转变为以水蒸气分压力为驱动势的统一函数,与COMSOL MULTIPHYSICS?多物理场仿真软件内置方程相比,形式更加简洁,解决了传递性能参数测试需要区分水蒸气扩散和液态水渗透两种传递方式的难题,而且简化了数值模拟计算过程中的参数设置。(2)得到了煤矸石和粉煤灰两种复合砌块材料最优质量配合比。通过正交试验设计的矩阵分析法,以满足强度要求的前提下,提升砌块的热工性能为优化目标得到了两种复合砌块的最优配合比。煤矸石复合砌块主体材料的最优配合比为:页岩10%、稻壳5%、煤矸石85%,填充材料选用EPS;粉煤灰复合砌块主体材料的最优配合比为:粉煤灰50%、硅酸盐水泥20%、粉煤灰陶粒30%,填充材料稻壳浆料的配合比为:硅酸盐水泥37.5%、稻壳25%、901胶37.5%。两种复合砌块墙体性能满足夏热冬暖和夏热冬冷地区节能建筑的热工性能要求。(3)构建了复合砌块墙体热湿耦合传递性能参数数据库,得到了水分渗透系数随平衡相对湿度变化的关系式和有效导热系数随平衡含湿量变化的关系式。提出了热湿耦合传递理论模型求解需要的孔隙率、水分特征曲线、水分渗透系数和有效导热系数等热湿性能参数的试验研究方案,并对自主研发的煤矸石复合砌块主体材料及填充材料EPS、粉煤灰复合砌块主体材料及填充材料稻壳浆料4种墙体材料进行了试验测试,得到了数值模拟计算所需的复合砌块墙体热湿传递性能参数。(4)揭示了复合砌块墙体内部的热湿耦合传递规律。构建了0℃以上室内环境、室外环境和0℃以下室内环境3种工况6面试验墙体,试验测试了煤矸石和粉煤灰复合砌块墙体内部的热湿耦合传递规律,并对试验工况下6面墙体的热湿耦合传递规律运用COMSOL MULTIPHYSICS?多物理场仿真软件进行了数值模拟计算,两者具有很好的一致性,温度和水蒸气分压力的相对误差均在工程允许的范围内。墙体内部的温度湿度分布均呈现一定的二维特性,靠近墙体边界的节点受外界环境的影响较为显著,变化的波形与外界环境较为相似,内部节点的温度湿度波动具有不同程度的衰减延迟特性。(5)得到了夏热冬暖和夏热冬冷两个气候区典型城市广州及上海煤矸石和粉煤灰复合砌块墙体内部的热湿耦合传递规律。运用COMSOL MULTIPHYSICS?多物理场仿真软件对两种复合砌块28个工况的热湿特性进行为期10年的数值模拟计算。墙体投入使用后,在自然环境周期性温湿度边界条件作用下,经过一定的时间,逐步达到正常情况阶段。湿度达到正常情况阶段的时间明显比温度长。墙体内部温度和湿度呈不规则周期性变化,内表面和外表面受室内外环境条件影响较大,呈现一定的衰减延迟特性。两个气候区的煤矸石和粉煤灰复合砌块墙体投入使用第一年和正常情况阶段内表面相对湿度均小于1.0,不会结露,但初始阶段和正常情况阶段均存在部分时间段相对湿度高于0.8,存在霉菌滋生风险,应注意采取必要的防潮措施。(6)探明了墙体材料热湿传递性能参数、初始含湿量和墙体朝向等因素对墙体热湿特性的影响规律。初始含湿量越高,砌块达到周期性边界条件下的正常情况阶段需要的时间越长,初始含湿量对墙体工作性能的影响也越大。墙体类型不同,初始含湿量变化的影响程度呈现出明显的差异;不同朝向的墙体达到正常情况阶段的时间有明显的差异性,获得太阳辐射热多的墙体所需的时间较短。(7)揭示了墙体内部的热湿耦合传递特性。通过对比二维与一维热湿耦合模型与3种工况6面墙体的物理试验测试结果相对误差大小,以及试验测试的墙体同一高度不同断面的温湿度分布,阐明了复合砌块墙体内部的二维热湿耦合传递特性。构建了边界热质交换参数计算—热湿传递性能参数库—COMSOL多物理场仿真软件数值模拟计算参数设置为一体的热湿特性研究方法体系。(8)给出了热湿耦合传递对墙体建筑能耗的影响规律。夏热冬暖和夏热冬冷两个气候区典型城市广州和上海两种复合砌块墙体热湿耦合传递模型计算的逐年能耗与正常情况阶段相比,在投入使用的前几年,受墙体材料初始温度和含湿量的影响,供热供冷负荷呈现逐年变化趋势,影响程度和方向与各地气候条件和季节有关。单纯考虑热传递的计算方法忽略了含湿量对墙体热湿传递性能的影响,与墙体内部热湿传递的实际情况不符,导致建筑能耗计算出现偏差。该论文有图198幅,表62个,参考文献172篇。